11.- Sistemas de adquisición de datos (SAD) 11.1.- INTRODUCCIÓN En primera aproximación, podemos dividir las tarjetas de adquisición de datos genéricas en los bloques básicos de la figura superior: Entradas analógicas: Se realiza la conversión a valores discretos de las señales analógicas de entrada. Salidas analógicas: Se convierten valores discretos en señales analógicas. En la figura podemos ver dos canales de salida analógicos. Entradas/salidas digitales: Para la adquisición/generación de señales digitales. Control: Circuitería encargada de controlar todo el flujo de datos entre los distintos bloques incluyendo la temporización de las conversiones A/D y D/A. Interfaz con el bus: Se encarga de realizar las tareas de comunicación entre la tarjeta y el bus del ordenador. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 37
11.2.- ENTRADAS ANALÓGICAS Esquema básico de entrada analógica de una tarjeta DAQ: 11.2.1.- MULTIPLEXADO ANALÓGICO Los equipos de instrumentación que constan de varios canales incluyen en su mayoría multiplexores analógicos que permiten abaratar el coste por canal Ejemplo de sistema de adquisición de datos con multiplexor analógico. El A/D toma una muestra de un canal e inmediatamente el multiplexor se encarga de conmutar la entrada del conversor para capturar la señal del siguiente canal. Esto significa que la velocidad de muestreo hay que dividirla entre el número de canales multiplexados. P. ej. Tarjeta de adquisición, 8 canales, frecuencia de muestreo máxima 100KHz. Si queremos muestrear los 8 canales, la máxima frecuencia por canal será de 12,5 KHz. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 38
11.2.1.1.- Construcción interna INTERRUPTOR ANALÓGICO CMOS Construcción interna de un interruptor analógico caracterizado por la disposición paralelo de un MOSFET de canal n y otro de canal p. Esta configuración permite que la corriente fluya en ambos sentidos con la misma facilidad 11.2.1.2.- Parámetros EN CONTINUA: Circuito equivalente del MPC506A para cuantificar su precisión estática Z L carga con componente resistiva y capacitiva R ON Resistencia del interruptor cerrado. Varía con la tensión de entrada y con la de alimentación. Tomaremos el peor caso para una alimentación fija. R OFF Resistencia con interruptor abierto. R S1,, R S16 Resistencias de cada fuente de señal. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 39
I BIAS Corriente de polarización para los MOSFET del interruptor. Llamada corriente de fugas. R s + RON % Error = 100 (Véanse cálculos del circuito potenciométrico) R + R + R s ON Si R S = 100 Ω, R ON = 1 Ω, R L = 10k Ω Error 0 1% L Por lo tanto es aconsejable: Mantener la impedancia de la carga tan alta como se pueda minimizando así el efecto de la resistencia de la fuente y de R ON. (Habitualmente la carga será la entrada de un amplificador) Utilizar fuentes de señal con la menor impedancia posible. (Problemas con sensores generadores cuya impedancia de salida es elevada) En la salida conectar dispositivos de muy poca corriente de polarización. Por lo general, deben usarse amplificadores con entradas basadas en FET para entradas menores de 50mV FS. EN ALTERNA: CAPACIDADES PARÁSITAS Diafonía: Es la cantidad de señal de un canal abierto que se acopla en la señal de un canal cerrado Diafonía por acoplo capacitivo: Figura inicial para el estudio del acoplo capacitivo. Puede comprobarse que corresponde al caso en que un canal (Vn) está abierto mientras el otro está conectado a una carga R L Cabe recordar que en el estudio de este tipo de interferencias, se estableció que la alta impedancia del circuito interferido (RL) favorece el acoplo. Como RL suele corresponder con la impedancia de entrada de un amplificador, se cumple esa premisa. En resumen, se produce una interferencia por acoplo capacitivo entre canales debido a las capacidades parásitas de los interruptores del multiplexor. Diafonía por inyección de carga: Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 40
+ - Vo 10Ω 500Ω Cparásita Vs1=5V Vs2=1v En el ejemplo de la figura: 1. El condensador intenta cargarse a 5 V a través de 10 Ω 2. El condensador intenta descargarse a 1 V a través de 500 Ω, pero no le dá tiempo por ser la resistencia mucho mayor (500 Ω >> 10 Ω). 3. Cuando se vuelve a muestrear Vs 1 se vuelve a cargar 4. Cuando se muestrea Vs 2 la tensión ha aumentado pareciéndose cada vez más al valor de Vs 2 pues todavía queda carga almacenada. Aislamiento También se especifica el aislamiento entre canales (Off isolation) que puede definirse como la diafonía producida cuando todos los canales se encuentra abiertos. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 41
11.2.1.3.- Ejemplo de especificaciones HI-509 Analog Signal Range, VIN = Tiempo de establecimiento al 0 01 % = Off Isolation = Channel Input Capacitance, CS(OFF) = Channel Output Capacitance, CD(OFF) = Input to Output Capacitance, CDS(OFF) = ± 15 V 600 ns 50 db mínimo. 10 pf 12 pf 0 08 pf Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 42
11.2.1.4.- Ampliación del número de canales Cuando los canales de entrada de nuestro SAD son insuficientes, se puede recurrir a unidades externas de multiplexado que nos permiten llegar a los 256 canales o más. Aunque en el ejemplo la frecuencia de muestreo ha bajado hasta los 390 Hz (100000 Hz/256 canales), puede ser suficiente para algunos tipos de señal de baja frecuencia, como las procedentes de sensores de temperatura, humedad, etc. 11.2.1.5.- Métodos de muestreo de varios canales MUESTREO CONTINUO: Las muestras se toman a intervalos regulares. Inconvenientes: Cuando se necesita analizar la relación de fase entre señales se debe realizar un muestreo simultaneo de ellas. En este caso la multiplexación impediría dicho análisis. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 43
MUESTREO SIMULTANEO: Las muestras se toman a simultaneamente, ya que cada canal tiene su propia circuitería (nº de conversores A/D = nº de canales) aumento de coste. Es necesario cuando se pretende analizar la relación de fase de las señales AC en el dominio temporal. MUESTREO A INTERVALOS: A intervalos regulares se muestrean rápidamente (diferencias de microsegundos) todos los canales. Se obtienen las ventajas del muestreo simultaneo manteniendo los costes del muestreo continuo. Válido para señales de baja frecuencia como las medidas de temperatura o presión. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 44
11.2.2.- DISPARO La correcta elección del modo de disparo en una aplicación permite ahorrar tiempo y espacio en disco ya que permite capturar únicamente la parte interesante de la señal. Es muy importante en captura de transitorios. LATENCIA DE DISPARO Tiempo máximo desde el disparo hasta la primera lectura. JITTER Variación de la latencia entre una adquisición y otra. Ambos parámetros dependen del tipo de disparo. 11.2.2.1.- Disparo por Software Es realizado por el software del PC (P. ej. LabVIEW). Es mayor que en los otros modos de disparo. Depende de las prestaciones del ordenador. Un valor típico de latencia es 0,1 ms o menor (IOTECH WaveBook 512/516) 11.2.2.2.- Digital La tarjeta dispone de una entrada digital. Normalmente usa niveles TTL. Sensible al flanco de subida o bajada (Seleccionable por software). Latencia menor de 200 ns (IOTECH WaveBook 512/516). Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 45
DISPARO DIGITAL POR PATRÓN. En este caso el disparo se produce cuando en la entrada digital específica se da una combinación de bits seleccionada. Util para capturar ruido, vibraciones o cualquier otra perturbación física que se produce en un punto concreto de una secuencia digital de un PLC, relés. Latencia menor de 200 ns, patrón de 16 bits en puerto digital (IOTECH WaveBook 516) 11.2.2.3.- Analógico Puede ser por nivel (encima/debajo de un valor especificado) Por flanco (ascendente/descendente) MONOCANAL Se utiliza uno de los canales de entrada analógica para disparar la adquisición. El nivel puede programarse en intervalos de valor igual a la resolución (p. ej. 2'44 mv para 12 bits y +- 5V). MULTICANAL Se puede configurar individualmente cada canal con un criterio de disparo. IOTECH WaveBook 516: Puede incluso configurar el disparo usando todos los canales de forma que el disparo se produzca cuando: - Cualquiera de ellos alcance una condición (OR) - Todos ellos alcancen la condición (AND) DISPARO POR PULSO Permite relacionar señales lentas con la ocurrencia de un pulso de alta velocidad. IOTECH WaveBook 516: Dispone de una entrada al efecto. El usuario puede definir un pulso de amplitud entre +- 5V y una anchura de entre 10 ns y 100 us. Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 46
En la figura puede verse un ejemplo de barrido en un IOTECH WaveBook 512/516, observese que: Cada barrido (Scan group) se produce tras un intervalo programable. En cada barrido, el orden de los canales es configurable. Cada adquisición tiene su propia ganancia y modo (unipolar/bipolar) 11.2.2.4.- Modos de adquisición POST-TRIGGER La tarjeta solamente adquiere datos tras alcanzar la condición de disparo: Modo lineal infinito: Una vez alcanzada la condición, la adquisición continúa indefinidamente hasta que se reciba la orden de stop o cuando se agoten los recursos disponibles del PC. Modo circular infinito: Una vez alcanzada la condición continúa indefinidamente llenando un buffer circular hasta que se reciba la orden de stop. Cuando el buffer se llena se sobreescriben los datos previos, de forma que contenga los datos mas recientes. Un ejemplo típico es un ensayo Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 47
destructivo donde la adquisición se da por finalizad una vez que el dispositivo falle. Así sólo se tendrán las muestras correspondientes al momento previo al fallo. Modo lineal finito: Una vez alcanzada la condición, la adquisición se detiene tras el número de barridos que se especifique. Util cuando se conoce la duración del evento. Modo circular finito: Se adquieren datos en el buffer circular hasta completar un número determinado de barridos. PRE-TRIGGER Permite la adquisición de datos previos a la condición de disparo. Puede usarse en combinación con cualquiera de los modos Post-trigger. La velocidad de barrido y el número de barridos puede ser distinto antes y después del barrido. Modo circular: Los datos adquiridos antes del disparo se guardan en un buffer circular, sobreescribiendose una vez lleno. Modo lineal: En este caso se continúa adquiriendo datos sin sobreescribir los anteriores. Si la condición de disparo tarda en ocurrir, este modo requerirá muchos recursos del PC para evitar la pérdida de datos. Este modo es útil cuando no se conoce el número de barridos previos. EJEMPLO: Figura 1 Configuración del disparo en una tarjeta IOTECH WaveBook 512/516 Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 48
En la figura podemos ver como el barrido incluye 5 canales, cada uno de los cuales está configurado de forma distinta. 1. Se han configurado 25000 barridos previos al disparo y 3.000.000 con posterioridad. 2. La velocidad del barrido es de 125 KHz antes del disparo, mientras que una vez ocurrido este, la velocidad del barrido es de 1 MHz. 3. Se ha elegido una condición de disparo que debe darse simultaneamente (AND) en todos los canales del barrido. 11.2.3.- EJEMPLOS Diagrama de bloques de las entradas analógicas de la tarjeta NI Lab-PC+ Apuntes de Instrumentación electrónica (03-04) 3º I.T.I. Electrónica 49